TÖÇ-6 Parçacık Fiziğine giriş Gökhan ÜNEL / UCI - Haziran 2016 1
Çıkış noktası Yaşadığım bu yerde bir sebep-sonuç ilişkisi var. Bilinçliyken deneyimlediklerime gerçek diyorum. Yaşadığım bu yeri anlayabilirim. Gözlem ve deney yapanları dinleyeyim. Gözlemler / deneyler gerçekle ilgili olması gerekenler: Tekrarlanabilir / Yalanlanabilir. Sınıflandırılabilir. Karmaşık konuları anlama yöntemleri: Bütünü anlayana kadar çalışayım. Tümden küçük parçalara geçeyim. Bütünü oluşturan parçaları ve onların birbiri ile ilişkisini anlayım, bunlardan tüme varayım. 2
Doğadaki maddeyi ve çeşitli etkileşimlerin alt yapısını anlamak. kısacası: her şeyi anlamak önce sınıflandıralım 3
h e r c i s i m h e r o l a y katı sıvı gaz Kimyasal bir sürü tepkime var. Elim masadan geçmiyor. Şimşek oluyor. Güneş ve yıldızlar parlıyor. Dünyanın yaşı basitçe hesaplanmıyor. Elementlerin çekirdeklerinde birbirini iten yükler nasıl bir arada duruyor? Mendeleyev 1869 Taş atınca yere düşüyor. Yıldızlar kafama düşmüyor. 4
ilk parçacık 1897 Parçacık Fiziği macerası J.J.Thomson'ın elektronu keşfetmesiyle başlar. Sıcak bir telden yayılan katot ışınlarının (parçacık demeti) bir mıknatıs ile saptırılabilmesi ile bunların elektrik yükü taşıdığı, ve bükülme yönünden de bu yükün eksi olduğu belirlenmiştir. 5
Atomun içinde ne var? JJ Tomson (1904) Atom, içinde artı ve eksi elektrik yükü olan bir karışım olabilir. 6
Atom Çekirdeği Ernest Rutherford, 1909'da varsayımın geçerliliğini test etmek için bir deney hazırladı. Fizikçiler ilk kez mikroskopla göremedikleri küçük parçacıkların içini araştırdılar. α parçacıkları α parçacıkları algıç algıç beklenen gözlenen 7 açıklama
Çekirdek Nedir? - Lisa Meitner çekirdeğin parçalanabildigini gösteren kişi + + - u u u d d d Proton 1938 1968 Nötron En basit atom modeli: çekirdek etrafında yörüngede olan elektronlar. Atom Bu tanıma göre madde Proton çekirdeği çekirdek ve nötronlar parçalanabiliyormuş; ve elektronlardan da parçalanabiliyor; oluşuyor. Çekirdeğin Onların içinde içinde protonlar kuarklar 8 var. ve nötronlar varmış.
h e r c i s i m h e r o l a y katı sıvı gaz Kimyasal bir sürü tepkime var. Elim masadan geçmiyor. Şimşek oluyor. a t o m l a r Güneş ve yıldızlar parlıyor. Dünyanın yaşı basitçe hesaplanmıyor. - Elektron Elementlerin çekirdeklerinde birbirini iten yükler nasıl bir arada duruyor? u u u d d Proton d Nötron Taş atınca yere düşüyor. Yıldızlar kafama düşmüyor. 9
Temel Etkileşimler Elektromanyetik etkileşim Elektrik, mıknatıslık: atomun içindeki elektronları çekirdeğe bağlar, atomları moleküllere bağlar, tüm kimyasal etkileşimlerden sorumludur, vs. Güçlü etkileşim Kuarkları bağlayıp protonları, nötronları ve diğer parçacıkları yapar. Atomun içindeki proton ve nötronların arasındaki itici kuvveti yenerek çekirdeği bağlar. Zayıf etkileşim Radyoaktiviteden sorumludur. Ayrıca Güneş ve diğer yıldızların merkezinde olan nükleer tepkimelere sebep verir. Kütleçekim etkileşimi Kütlesi olan tüm maddenin arasında olan çekim kuvveti. Bizi Dünya ya bağlar, yıldızları ve galaksileri birarada tutar. Higgs etkileşimi Temel fermiyonların ve zayıf etkileşim taşıyıcısı bozonların kütle kazanmasından sorumludur. 10
Temel Parçacıklar Yapıtaşları Maddenin Üç Ailesi Kuarklar: u, c, t, d, s, b Leptonlar: υ e, υ μ, υ τ, e, μ, τ ve bunların karşı-parçacıkları e- > e+ u > u Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar kütle yük dönü Kuarklar isim Leptonlar 2.4 MeV/c 2 ⅔ u yukarı 4.8 MeV/c 2 -⅓ d aşağı <2.0 ev/c 2 0 ν e elektron nötrino 0.511 MeV/c 2-1 e elektron 1.27 GeV/c 2 ⅔ c tılsım 104 MeV/c 2 -⅓ s garip <0.19 MeV/c 2 0 ν μ müon nötrino 105.7 MeV/c 2-1 μ müon 171.2 GeV/c 2 ⅔ t üst 4.2 GeV/c 2 -⅓ b alt <18.2 MeV/c 2 0 ν τ tau nötrino 1.777 GeV/c 2-1 τ tau 1. aile 2. aile 3. aile υ e > υ e e e u d u u d d e Atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. n Nötron p Proton e e 11
bir QM özellik: Dönü (spin) devamlı değil kesikli değerler alabilir: Kuantumlu, 1, 0, 1, 2, Fermi-Dirac elektron Pauli dışlama ilkesi orbitaller Fermiyon madde yapıtaşı parçacıklar Bose-Einstein foton Boze yığılması lazer Boson kuvvet iletici parçacıklar Stern - Gerlach Deneyi 1922 12
h e r c i s i m h e r o l a y katı sıvı gaz Elektromanyetik etkileşim Kimyasal bir sürü tepkime var. Elim masadan geçmiyor. Şimşek oluyor. a t o m l a r Zayıf etkileşim Güneş ve yıldızlar parlıyor. Dünyanın yaşı basitçe hesaplanmıyor. kütle yük dönü Kuarklar isim 2.4 MeV/c 2 ⅔ u yukarı 4.8 MeV/c 2 d -⅓ aşağı 1.27 GeV/c 2 ⅔ c tılsım 104 MeV/c 2 -⅓ s garip 171.2 GeV/c 2 ⅔ t üst 4.2 GeV/c 2 -⅓ b alt Güçlü etkileşim Elementlerin çekirdeklerinde birbirini iten yükler nasıl bir arada duruyor? Leptonlar <2.0 ev/c 2 0 ν e elektron nötrino 0.511 MeV/c 2-1 e elektron <0.19 MeV/c 2 0 ν μ müon nötrino 105.7 MeV/c 2-1 μ müon <18.2 MeV/c 2 0 ν τ tau nötrino 1.777 GeV/c 2-1 τ tau 1. aile 2. aile 3. aile 13 Kütleçekim etkileşimi Taş atınca yere düşüyor. Yıldızlar kafama düşmüyor.
Etkileşimleri Sağlayan Parçacıklar Bozonlar Kuvvet Çekim Zayıf Elektromanyetik Güçlü Taşıyıcı Parçacık Graviton W+ W- Zo Photon Gluon (8) etkileştikleri hepsi kuarklar ve leptonlar kuarklar, yüklü leptonlar, W+ W- kuarklar ve gluonlar Kütle (GeV) 0? 80-91 0 0 (henüz gözlenmedi) Güçlü etkileşim ElektromanyePk etkileşim Zayıf etkileşim 14
karşı-parçacık olayı her parçacığın kendisine zıt kuantum mekaniksel özellikler taşıyan bir düşman kardeşi vardır. buna karşı-parçacık denir parçacık + karşı-parçacık = enerji = yeni parçacık Örnekler: elektron(-) & pozitron(+) en basiti: yük ters olmuş u (2/3) & u (-2/3) benzer şekilde v e & v e : lepton numarası ters olmuş r & r : renk yükü ters olmuş karşı parçacıkları da sayarsak toplamda 61 temel parçacık var 15
HADRONLAR Kuarklardan yapılmış ve güçlü etkileşen parçacıklar baryonlar(qqq) ve karşı baryonlar fermiyon simge isim içerik yük kütle dönü p proton uud 1 0.938 1/2 p karşı proton uud -1 0.938 1/2 n nötron udd 0 0.940 1/2 mezonlar(qq) ve karşı mezonlar bozon simge isim içerik yük kütle dönü π+ piyon ud 1 0.140 0 Κ- kaon su -1 0.494 0 ρ+ rho ud 1 0.770 1 Λ lambda uds 0 1.116 1/2 Ω - omega sss -1 1.672 3/2 yaklaşık 120 çeşit baryon var B 0 B-zero db 0 5.279 0 ηc eta-c cc 0 2.980 0 yaklaşık 140 çeşit mezon var 3 kuarklı hadronlar 1 kuark ve 1 karşı-kuarklı hadronlar 16
Ö n e m l i k e ş i f l e r s-kuark - - cc bb h 17
Bilinen Parçacıklar ve Etkileşimleri 18
zayıf etkileşim elektromanyetik etkileşim güçlü etkileşim parçacıklar ve etkileşimleri başka şekilde 19
Elektromanyetizma ayrıntılar Zayıf etkileşim Güçlü etkileşim Kütleçekim etkileşimi 20
Elektromanyetik Kuvvet Gauss Ampere Faraday James Clerk Maxwell elektrik alan manyetik alan akım yoğunluğu yük yoğunluğu elektriksel geçirgenlik manyetik geçirimlik 21 21
Kuantum Elektrodinamiği Elektrik yükü taşıyan bütün parçacıkların foton parçacığı aracılığıyla nasıl etkileştiğini açıklar Klasik EM nın Kuantum halidir. Kuantum mekaniği ile özel göreliliğin bağdaştığı ilk kuramdır. Bir çok deney sonucunu yüksek duyarlılıkta (milyarda 10 hata ile) hesap etme olanağını verir. Richard Feynman 22
foton hakkında... M.Planck, siyah cisim ışımasını açıklar (1900), ışıma kuantumludur. A.Einstein, parçacık gibi davranan ışık kuantumu önerir (1905), fotoelektrik olay (E hν-w), kütle ve enerjinin eşdeğerliği, özel görelilik. Foton ismi kimyacı Gilbert Lewis (1926) tarafından önerilir. Foton spin 1 ama kütle 0 yani 2 polarizasyonludur. yansıma etrafında bükülme Yüksek demet enerjisi Daha kısa dalgaboyu Daha iyi çözünürlük 23
Kuantum Elektrodinamiği Feynman çizileri foton elektrik yüklü parçacık elektrik yüklü karşı-parçacık e e - + e - e + e + e - γ + e - e zaman KED in etkisi sonsuz: foton kütlesiz 24
Etkileşme örnekleri güçlü etkileşim elektromanyetik etkileşim zayıf etkileşim 25
Zayıf Etkileşim Kuarkların çeşnilerini KÇD ile değişir Etkileşim kısa-menzillidir (10-18 m) Taşıyıcı parçacıkları kütle sahibidir Mz = 90 GeV/c Mw = 81 GeV/c 2 demir atomundan ağır 26
Kuantum Çeşni Dinamiği örnekler + - 27
W Z hakkında UA1 ve UA2 takımlarınca CERN de 1983 yılında keşfedildiler 1968 yılında Glashow, Weinberg, Salam tarafından önerilmişlerdi SLAC (ABD) / LEP1 ve LEP2 ayrıntılı olarak incelendiler W- W+ birbirinin karşı parçacığı, Z ise kendi kendinin dönü 1: yani 3 polarizasyon yönleri var. yarı ömürleri yaklaşık 3 10 25 s W %11 olasılıkla elektron ve elektron nötrinosuna bozunuyor Z %20 olasılıkla nötrino - antinötrino çiftine bozunuyor LEP1 deki çalışmalar sayesinde hafif nötrinosu olan 3 aile olduğunu biliyoruz. 28
Kuantum Renk Dinamiği Hadronların kendi içlerinde ve birbirleriyle olan etkileşmini açıklar Renk yükü taşıyan parçacıklar arasındaki bu etkileşim gluonlar tarafından yayılır Renk yükü: kırmızı, yeşil, mavi etkileşim kısa-menzillidir (10-15 m): çekirdeğin içi renkli parçacıklar tek başına bulunamazlar. protonun içi bir KRD denizidir. 29
gluonlar hakkında 1962 yılında Gell-Mann tarfından kurgulanmış ve 1978 yılında Alman elektron eşzamanlayıcısında (DESY) keşfedilmiştir. Gluon kütlesiz bir parçacıktır. Yük? KED in taşıyıcısı foton elektrik yükü taşımaz KRD nin taşıyıcısı gluon renk yükü taşır 8 çeşidi vardır: Sadece gluonlardan oluşan bir parçacık var olabilir ama henüz bulunmamıştır. Gluonlar kendileri ile de etkileşir 30
Kuantum Renk Dinamiği Renk hapsi g u u g g d Koparma enerjisi kütleye dönüşür proton g u d g g d nötron Kavuşulmaz özgürlük Asymptotic freedom yüksek enerjiyle çekirdeğin içine bakılıp quarklara yaklaştıkça bunlar bağlı değil, serbest gibi davranır. kurgulanması 1974 > Nobel 2004 31
Kuantum Renk Dinamiği örnekler 32
Kütle çekimi Klasik Mekanik Isaac Newton Özel Görelilik Genel Görelilik Albert Einstein Uzayın Eğrilik metriği Enerji Tensörü 33
Graviton? Kuramsal bir parçacık Madde ile etkileşim tesir kesiti çok küçük gözlemlenmesi çok zor LIGO, VIRGO - Kütle çekimi dalgaları arayan deneyler Eğer varsa, Kütlesiz olmalı - Kütle çekiminin etkisi sonsuz Dönüsü 2 olmalı - Tμν Stres-Energy tensörü ikinci dereceden 34
ek: kuantum alan ve parçacık Klasik anlamda alan: T(x,y,z,t) uzay zamanda her noktaya bir değer vermek Sıcaklık haritası > Sayıl (scalar) alan Rüzgar haritası > Yönel (vector) alan Kuantum alanı: ψ(x,y,z,t) K. alanların karesi olasılık yoğunluk işlevi (probability density function): ψ*ψ Klasik alanı KM özellikleri ekleyelim ölçüm sırası önemli olsun (değişme bağlantısı - commutation relation) enerji, açısal momentum sürekli değil kesikli olsun (kuantum) ve bir zemin enerji değeri olsun. Kuantum alanların ortalama değerleri klasik sonuçları versin Parçacıklar ne? Kesikli alanların enerji verilip uyarılmış halleri ψ > alan 2 çocuğun yaramazlık ihtimali, enerji şeker, parçacık yaramaz çocuk EM K. alan > foton, Elektron K. alanı > elektron 35
Standart Model 36 Elektrozayıf + Kuvvetli etkileşim ikisi aynı parçacıklar üzerine farklı etki ediyorlar. Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar fermiyonları uygun şekilde karıştırarak yapılır. p uud n udd Hidrojen p+e, Helyum n+n+p+p+e+e Fermiyonlar bozonlar sayesinde etkileşir. Sonuç: SM & genel görecelik, yaşadığımız evreni açıklar. (hepsini değil)
Standart Model: Saygın bir tarih Standart model yüz yıllık emeğin sonunda ortaya çıks. Oluşturulmasında kuram ve deney iç içe yer aldı. SM kuramsal olarak tutarlıdır, ve deney/gözlem ile doğrulanmışsr. SM keşfi bilimsel yöntemin işleyişine iyi bir örnekpr. Bilimsel yöntem: deney/gözlem sonuçlarını açıklayan bir varsayım üret, varsayımı farklı deneylerle sına, doğrula, ya da yanlışsa yenisini üret. 37
SM geçmişinden: Çekirdeğin keşfi beklenenden farklı olan Sene 1904...elektron kaşifi Thompson atomun içinde ars ve eksi yüklerin eşit dağılımla yüzdüğünü öneriyordu. Rutherford, Geiger ve Marsden bu öneriyi sınamak için 1911 de alsn folyolara He+ çekirdekleri ateşlediler. İik kez mikroskopla görülmeyen parçacıkların içi araşsrılıyordu. beklenen gözlenen açıklama Sonuç: Deneyin zaferi - merkezdeki yoğun çekirdek ve etra`a dönen elektronlar ile açıklanan Rutherford-Bohr atomu. 38
SM geçmişinden: Muon keşfi beklenmeden gelen Sene 1936...Anderson ve Neddermayer bulut odasında kozmik ışınları incelerken eksi yüklü, ama manyepk alanda elektrondan daha az, protondan daha fazla bükülen bir parçacık gözlediler. Elektrondan ağır protondan hafif bu yeni parçacığın ne olduğunu başta kimse bilemedi. Adına mu mezon dendi. O sırada benzer kütlede olan pi mezonlar gözlemlendi - pi leri diğerleri takip ed. Fakat hızlandırıcı ve kozmik ışınlar pi ve sonrakilerin her türlü etkileşpğini görürken mu lerin güçlü etkileşmediğini gördü. İşe anlam veremeyen Isidor Rabi Bunu kim ısmarladı ki?! dedi. Sonunda muon un elektronun ağır kuzeni olduğu anlaşıldı. muon! pion! π,-!-µ,-+-ν! elektron! µ,-!-e,-+-ν-+-ν! 39
SM geçmişinden: Top kuark keşfi beklenip de gelen 1973te Kobayashi ve Maskawa 3. aileyi önermiş, 1977de b quark keşfedilmişp. b kuark ile eş olacak top kuarkın varolması gerekpği düşünülüyordu. 1980lar... Top kuarkın özellikleri hesaplanabiliyor, ama kütlesi bilinmiyordu. SLAC, DESY ve CERNdeki hızlandırıcıların top kuark yapmaya enerjileri yetmedi. Top daha ağır olmalıydı. Top kuark sonunda 1995te Fermilab Tevatron da D0 ve CDF deneylerince 176 GeV kütlede gözlemlendi. 40
PF birimleri Enerji elektron volt (ev) 1 ev = 1.6 x 10-19 J 70 kg kütleli birisinin yürürken (saniyede ~1 adım) sahip olduğu kinetik enerji: K = mv 2 ~ 20 J Yani yürürken kinetik enerjimiz: 20 J = 1.25 x 10 20 ev = 1.25 x 10 8 TeV 41
Enerji: GeV Zaman: (GeV/ħ) -1 Kütle: GeV/c 2 Alan: (GeV/ħc) -2 Momentum: GeV/c ħ=c=1 alsak herşey Uzunluk: (GeV/ħc) -1 ne basit olur! Böylece, bütün fiziksel nicelikler GeV'in kuvvetleri cinsinden ifade edilir. S.I. birimlerine geri dönüştürme için, ħ and c nin gerekli çarpanları kullanılır. 42
Ödev: İşaretli kuarklar diğerlerine göre daha ağır. 1. ailede durum 2. ve 3.ye göre farklı yani simetri kırılmış. Eğer simetri korunmuş olsaydı, yani up kuark down kuarktan daha ağır olsaydı bu nelere yol açardı? 43